低碳高強鋼氧化鐵皮的形貌和熔化過程研究

袁 清，徐 光，周明星

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081)

低碳高強鋼氧化鐵皮的形貌和熔化過程研究

袁 清，徐 光，周明星

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學(xué)國際鋼鐵研究院，湖北 武漢，430081)

將一種低碳高強鋼試樣在熱軋帶鋼廠的工業(yè)加熱爐中隨爐加熱，采用電子背散射衍射(EBSD)與能譜儀(EDS)觀察并分析所研究鋼種氧化鐵皮的組成結(jié)構(gòu)及形貌，采用激光共聚焦顯微鏡(LSCM)觀察氧化鐵皮的熔化過程。結(jié)果表明，氧化鐵皮最內(nèi)層為共晶化合物Fe2SiO4/FeO，F(xiàn)eO在Fe2SiO4/FeO區(qū)域有兩種分布形態(tài)，一種是以相互平行的片層狀分布，另一種是以點狀或顆粒狀彌散分布于Fe2SiO4中；靠近鐵基體處的彌散顆粒中除了包含F(xiàn)e2SiO4成分外，還有磷酸鹽化合物；添加P元素可以降低Fe2SiO4/FeO的熔化溫度，當(dāng)實驗鋼中w(P)=0.06%時，F(xiàn)e2SiO4的實際熔點為1101.3 ℃，明顯低于其理論熔點。

氧化鐵皮；低碳高強鋼；Fe2SiO4;FeO;形貌；熔化過程；熔點；磷含量

二元共晶物Fe2SiO4/FeO是高強鋼表面形成紅色氧化鐵皮的最主要因素，關(guān)于紅色氧化鐵皮的形成機理已有研究報道[1-3]。為了去除氧化鐵皮，人們對影響鋼鐵材料氧化的主要因素進行了分析，包括氧化溫度[4-6]、氧化氣氛[7-8]、硅含量[9]、加熱工藝[10]等。此外，Kizu等[11]研究了多種化學(xué)成分對鋼中氧化鐵皮的影響，結(jié)果表明，增加C、Mn、P的含量有助于氧化鐵皮的剝離，但是增加S含量會抑制氧化鐵皮的剝離。Yu等[12]在研究熱軋板坯三次氧化鐵皮的特性時也分析了化學(xué)成分的影響，發(fā)現(xiàn)P元素會富集在鐵基體與三次氧化鐵皮的交界面，有助于降低鐵皮與鐵基體的黏附能力。一般認為，紅色氧化鐵皮的形成不僅與Fe2SiO4的含量相關(guān)，還與其形貌及分布狀態(tài)密不可分。而以上大部分研究只關(guān)注于所研究鋼種的氧化動力學(xué)及氧化鐵皮微觀形貌，關(guān)于氧化鐵皮中Fe2SiO4/FeO區(qū)域分布形貌的研究幾乎未見報道。

本文以含磷0.06%(質(zhì)量分數(shù))的低碳高強鋼為研究對象，將熱軋帶鋼試樣在生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)加熱爐中進行加熱，以模擬連鑄坯在加熱爐中的氧化過程，重點探討鋼中Fe2SiO4/FeO區(qū)域的分布形貌，并采用激光共聚焦顯微鏡(LSCM)觀察共晶化合物Fe2SiO4/FeO的熔化過程，以期為實際生產(chǎn)中熱軋帶鋼消除紅色氧化鐵皮缺陷提供理論指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 工業(yè)氧化實驗

實驗材料為某熱軋帶鋼廠生產(chǎn)現(xiàn)場的低碳高強鋼，試樣規(guī)格為150 mm×50 mm×10 mm，化學(xué)成分為Fe-0.07C-1.21Si-1.2Mn-0.038Nb-0.060P-0.006S。本實驗采用熱軋后帶鋼模擬連鑄坯在加熱爐中的氧化過程，原因是原始鑄坯尺寸較大，無法進行取樣，而且拋光后的試樣隨爐加熱氧化后的氧化鐵皮與爐生氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)及形貌基本一致，該思路在金屬氧化相關(guān)研究中已普遍運用[3, 5, 9]。

將熱軋帶鋼試樣打磨拋光，去除表面氧化鐵皮及雜質(zhì)，然后放入工業(yè)加熱爐中隨熱軋板坯進行加熱。采用生產(chǎn)現(xiàn)場的分段式加熱制度將試樣加熱至1260 ℃，保溫40 min，然后出爐空冷至室溫。加熱時空氣過剩系數(shù)為1.1，爐氣成分含有約3.0%的氧氣。由于試樣表面的氧化鐵皮脆性高、容易剝落，為了充分保護試樣氧化鐵皮的完整性，便于微觀組織觀察，將氧化后的試樣切割成10 mm×10 mm×10 mm進行冷鑲嵌。冷鑲嵌料采用由冷埋樹脂粉、冷埋樹脂水雙組分按3∶2配合的室溫快速固化膠，冷鑲嵌后30 min左右即可固化進行打磨、拋光等處理。

采用電子背散射衍射(EBSD)(Nova 400 Nano 型掃描電鏡，加速電壓30 kV)觀察氧化鐵皮的微觀組織，并通過能譜儀確定氧化鐵皮不同位置的化學(xué)成分。

1.2 高溫顯微鏡觀察實驗

為了觀察低碳高強鋼氧化鐵皮的熔化過程，切割氧化后試樣，制成4 mm×4 mm×4 mm的塊狀試樣，用VL2000DX激光共聚焦顯微鏡進行原位觀察實驗。

為了保證試樣處于同一個水平觀察面，對試樣觀察面及其對面進行拋光，拋光面垂直于觀察方向，拋光時要保證Fe2SiO4層始終黏附在拋光試樣上。加熱之前，將爐腔抽真空至6×10-3Pa，然后通入保護性氬氣，避免試樣被再次氧化。為了能夠清晰地觀察到Fe2SiO4在熔點附近溫度的變化情況，在800～1200 ℃區(qū)間以9 ℃/min緩慢升溫，具體加熱工藝制度見圖1，總加熱時間約62.3 min。整個實驗過程中按每秒15幀、放大倍數(shù)550自動記錄Fe2SiO4的熔化全程。

圖1 激光共聚焦顯微鏡原位觀察加熱工藝

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 低碳高強鋼氧化鐵皮的形貌

圖2為通過EBSD觀察到的低碳高強鋼氧化鐵皮形貌。根據(jù)本課題組前期對低碳鋼氧化鐵皮組成結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果[1, 13-14]，并結(jié)合本次實驗的能譜分析，通過計算各層鐵皮中Fe、O、Si元素的原子比，可以確定：最外層Fe/O原子比約為2∶3，中間層Fe/O原子比約為3∶4，最內(nèi)層Fe/Si/O原子比約為2∶1∶4。結(jié)合圖2可知，氧化鐵皮最外層主要為Fe2O3，厚度較薄且致密，其中夾雜少量Fe3O4；中間層以Fe3O4為主，同時還含有部分FeO；最內(nèi)層為共晶化合物Fe2SiO4/FeO，其中顏色較淺的部分為FeO，顏色較深的為Fe2SiO4。此外，從圖2中還可以看出，當(dāng)保溫溫度最高為1260 ℃時，氧化鐵皮最內(nèi)層的Fe2SiO4呈明顯樹枝狀分布。

圖2 低碳高強鋼的氧化鐵皮形貌

Fig.2Oxidescalemorphologyofthelow-carbonhigh-strengthsteel

圖3為Fe2SiO4/FeO區(qū)域的高倍EBSD照片，圖4為Fe2SiO4/FeO中部分區(qū)域的能譜分析結(jié)果。結(jié)合EBSD照片和能譜分析可知，圖3中區(qū)域1淺色部分為FeO，深色部分為Fe2SiO4。此外，在Fe2SiO4/FeO中，F(xiàn)eO的分布形態(tài)有兩種：一種是FeO以相互平行的片層狀分布(區(qū)域2)，類似于片狀珠光體形貌；另一種是FeO以點狀或顆粒狀彌散分布于Fe2SiO4區(qū)域(區(qū)域3)，該結(jié)果在以前的研究中尚未報道。二元共晶Fe2SiO4/FeO中FeO的分布出現(xiàn)兩種不同形態(tài)，這與兩相的體積分數(shù)和比界面能有關(guān)，原因可能是冷卻過程中Fe、O和Si等元素的擴散不均勻，使得這些元素在不同區(qū)域的含量及分布不均，因此在不同區(qū)域形成的FeO表面積及界面能相差較大，從而導(dǎo)致上述現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖3 Fe2SiO4/FeO區(qū)域高倍EBSD照片

Fig.3EBSDimageofFe2SiO4/FeOathighmagnification

(a)Fe2SiO4區(qū)域 (b)區(qū)域2處FeO

(c)區(qū)域3處FeO

圖5為靠近鐵基體處彌散顆粒的高倍EBSD照片及能譜分析結(jié)果。由圖5可知，該顆粒具有兩種不同的混合成分。鑒于實驗鋼中含0.06%的P，在淺色部分(Spectrum 1)又檢測到P元素，可以推測該區(qū)域為磷酸鹽化合物，而深色區(qū)域為Fe2SiO4。

圖5 靠近鐵基體處彌散顆粒的高倍BSED照片及能譜分析結(jié)果

2.2 低碳高強鋼氧化鐵皮的熔化過程

圖6所示為低碳高強鋼氧化鐵皮區(qū)域的熔化過程。圖6(a)是開始熔化之前的固態(tài)Fe2SiO4/FeO區(qū)域，F(xiàn)e2SiO4呈明顯的樹枝狀分布；圖6(b)中，當(dāng)溫度達到1101.3 ℃時，F(xiàn)e2SiO4與FeO出現(xiàn)了分離，固態(tài)Fe2SiO4形貌發(fā)生明顯變化，并伴隨有少量液態(tài)Fe2SiO4出現(xiàn)。因此可以判定，溫度為1101.3 ℃時Fe2SiO4開始熔化，該溫度明顯低于Fe2SiO4的理論熔點溫度(1173 ℃)。這是因為實驗鋼種含有一定量的P元素，且在Fe2SiO4區(qū)域有含磷酸鹽成分的化合物出現(xiàn)。根據(jù)文獻[15]中的研究結(jié)果，當(dāng)P元素的含量達到一定值時，含Si熱軋鋼中可以形成具有較低熔化溫度(890 ℃)的三元共晶化合物FeO/Fe2SiO4/Fe3(PO4)2。Fe3(PO4)2的存在可以降低二元化合物Fe2SiO4/FeO的熔化溫度。在文獻[1，2，7，13]中，F(xiàn)e2SiO4的熔點都認為是1173 ℃，原因是其所研究的鋼種中磷的質(zhì)量分數(shù)都低于0.051%。本文實驗鋼中磷含量為0.06%，因此Fe2SiO4的熔點從理論值1173 ℃降至1101.3 ℃。上述原位觀察結(jié)果證實了添加磷可以有效降低Fe2SiO4區(qū)域的熔點，通過這種途徑，有可能使除磷溫度高于Fe2SiO4的熔點，促使液態(tài)Fe2SiO4完全被去除，從而減少紅色氧化鐵皮。該結(jié)果對于現(xiàn)場工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。圖6(c)中出現(xiàn)明顯液相Fe2SiO4區(qū)域，圖6(d)是Fe2SiO4區(qū)域完全熔化后的形貌，整個熔化過程持續(xù)約641.5 s。

(a)熔化前Fe2SiO4/FeO區(qū)域形貌 (b)開始出現(xiàn)液相Fe2SiO4

(c)出現(xiàn)明顯液相Fe2SiO4(d)Fe2SiO4完全熔化

圖6低碳高強鋼氧化鐵皮區(qū)域的熔化過程

Fig.6Meltingprocessofoxidescaleinthelow-carbonhigh-strengthsteel

3 結(jié)論

(1)FeO在氧化鐵皮Fe2SiO4/FeO共晶區(qū)域中有兩種分布形貌，一種是FeO以相互平行的片層狀分布，類似于片狀珠光體組織形貌，另一種是FeO以點狀或顆粒狀彌散分布于Fe2SiO4區(qū)域。

(2)靠近鐵基體處彌散分布的顆粒中除了有Fe2SiO4成分外，還含有磷酸鹽化合物。

(3)高溫顯微鏡實時觀察證明P元素能有效降低Fe2SiO4/FeO共晶化合物的熔化溫度。實驗鋼中P的質(zhì)量分數(shù)為0.06%時，F(xiàn)e2SiO4的實際熔點為1101.3 ℃，明顯低于其理論熔點。

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Morphologyandmeltingprocessofoxidescaleinalow-carbonhigh-strengthsteel

YuanQing,XuGuang,ZhouMingxing

(1.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2.International Research Institute for Steel Technology, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

A low-carbon high-strength steel sample was heated in the industrial furnace at a hot-rolled strip plant. The composition and morphology of the oxide scale were observed and analyzed by using electron backscattered diffraction (EBSD) and energy dispersive spectrometer (EDS). The oxide scale’s melting process was also observed by laser scanning confocal microscope (LSCM). The results show that the inner layer of the scale mainly includes Fe2SiO4/FeO eutectic compound, and FeO has two kinds of distribution patterns in Fe2SiO4/FeO region. The one is that FeO separates out from Fe2SiO4/FeO in the form of paralleled lamella; the other is granular dispersive distribution. The dispersive particles near the iron matrix contain phosphate compounds besides Fe2SiO4. Moreover, the addition of P element can lower the melting temperature of Fe2SiO4/FeO. As P content of the tested steel equals 0.06 wt.%, the actual melting point of Fe2SiO4is 1101.3 ℃, which is obviously lower than its theoretical melting point.

oxide scale; low-carbon high-strength steel; Fe2SiO4; FeO; morphology; melting process; melting point; P content

2017-07-10

國家自然科學(xué)基金面上項目(51274154);湖北省科技創(chuàng)新專項重大項目(2017000011);武漢科技大學(xué)研究生短期國外交流資助項目.

袁 清(1990-), 男, 武漢科技大學(xué)博士生. E-mail:438137485@qq.com

徐 光(1961-), 男, 武漢科技大學(xué)教授, 博士生導(dǎo)師. E-mail:xuguang@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.05.001

TG142.1

A

1674-3644(2017)05-0321-05

[責(zé)任編輯尚晶]